(57)【要約】【課題】  作製時の形状のばらつきや温度変化などの環境変化時に、複数の固有振動モードの周波数比を維持すること。【解決手段】数の可動子の少なくとも一つは外周で複数のねじりばねのうちの一本であるねじりばねＡとのみ連結しかつねじりばねＡとねじりばねＡ以外のねじりばねのうち少なくとも一本とのいずれか一方にのみ応力を印加する応力印加手段を有する揺動体。【選択図】  図１
2005326464.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の可動子と、
該複数の可動子を直列に連結する一直線上に配置された複数のねじりばねと、
該複数のねじりばねの一部を支持する支持体と、
前記可動子にトルクを印加する駆動手段と、
からなるマイクロ揺動体であって、
前記複数の可動子の少なくとも一つは該可動子の外周においては前記複数のねじりばねのうちの一本であるねじりばねＡとのみ連結し、
かつ、
該ねじりばねＡと、
該ねじりばねＡ以外のねじりばねのうち少なくとも一本とのいずれか一方にのみ応力を印加する応力印加手段を有することを特徴とするマイクロ揺動体。
【請求項２】
前記複数の可動子の一つは、
前記複数のねじりばねの２本で前記支持体に支持されることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ揺動体。
【請求項３】
前記ねじりばねに応力を印加する手段が、
前記ねじりばね以外に形成されることを特徴とする請求項１、２に記載のマイクロ揺動体。
【請求項４】
前記ねじりばねに応力を印加する手段が圧電体あるいは抵抗体であることを特徴とする請求項１〜３に記載のマイクロ揺動体。
【請求項５】
請求項１〜４のマイクロ揺動体と、
前記可動子の上に配置された光偏向素子を有することを特徴とする光偏向器。
【請求項６】
光源と、
請求項５に記載の光偏向器とを具備することを特徴とする画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光走査光学系及びそれを用いた画像形成装置に関し、特にマイクロ揺動体を用いることにより、小型で簡易な構成であるにも拘わらずスポット径が均一であり、かつ高画質化に対応できる、例えば電子写真プロセスを有するレーザービームプリンタやデジタル複写機やマルチファンクションプリンタ（多機能プリンタ）等の画像形成装置に好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から光偏向器として正弦振動を行う光偏向器を使用した光走査系（及び光走査装置）が種々と提案されている。光偏向器として正弦振動を行う光偏向器を使用した光走査系は、ポリゴンミラー等の回転多面鏡を使用した光走査光学系に比べて、光偏向器を大幅に小型化することが可能であること、消費電力が少ないこと、特に半導体プロセスによって製造されるＳｉ単結晶からなる光偏向器は理論上金属疲労が無く耐久性にも優れていること、等の特徴がある。
【０００３】
一方、正弦振動を行う光偏向器によって反射偏向された光は、回転多面鏡を使用した光偏向器による場合に比べ、偏向走査の角速度が一定とならず余弦的に変化する。特に偏向走査の両端に向かうにつれ偏向走査の角速度は減少するため、被走査面上で等速走査が必要な応用には、結像光学系（結像レンズ）としてａｒｃｓｉｎレンズを用いることが多い。ａｒｃｓｉｎレンズを用いる場合、走査中心に対して走査端部の主走査方向のＦナンバーが変化してしまうという特性があり、走査中心と走査端部の被走査面上におけるスポット径が不均一になってしまう。
【０００４】
以上のような課題を改善するため、特許文献１が提案された。図５は、特許文献１に開示された光偏向器を示す概略図である。光偏向器は、可動子１４、１６とそれらを連結して弾性支持するねじりばね１８、可動子１６と機械的な接地面２４を弾性支持するねじりばね２０で構成されている。これら全ての要素は、ねじり軸２６を中心として駆動手段２３によりねじり振動する。また、可動子１４は、光を偏向するための反射面を有しており、可動子１４のねじり振動によって、光源からの光を偏向走査する。この光偏向器は、ねじり軸２６を中心としたねじり振動について、基準周波数となる１次の固有振動モードと基準周波数の略３倍の周波数となる２次の固有振動モードを有している。駆動手段２３は、この１次の固有振動モードの周波数とこれに対して同位相で３倍の周波数の２つの周波数で光偏向器を駆動する。したがって、光偏向器は、１次の固有振動モードに加えて、２次の固有振動モードで同時にねじり振動しているため、可動子１４で反射された光の偏向走査の変位角は、この２つの振動モードの重ね合わせとなり、正弦波ではなく略三角波状に変化する。したがって、偏向走査の角速度は、変位角が正弦波であったときと比べ、略等角速度となる領域が広く存在するため、偏向走査の全域に対する利用可能な領域を大きくすることができる。
【特許文献１】米国特許第４８５９８４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
光の偏向走査の変位角を複数の固有振動モードの重ね合わせで駆動し、略等角速度となる領域を広くするためには、光偏向器の複数の固有振動モードの周波数比を制御する必要がある。しかしながら、形状のばらつきなどにより所望の固有振動モードの周波数比を有する光偏向器を作製することが難しい。所望の固有振動モードの周波数比を維持できない場合には、略等角速度となる領域が狭くなる、あるいは略等角速度走査ができなくなり、レーザービームプリンタやデジタル複写機やマルチファンクションプリンタ等の画像形成装置に使用することが困難となる。
【０００６】
本発明は上記観点に鑑みなされたものであり、その目的は、作製時の形状のばらつきや温度変化などの環境変化時に、複数の固有振動モードの周波数比を維持することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は上記目的を達成するため、以下の（１）〜（６）に記載のマイクロ揺動体を提供するものである。
（１）複数の可動子と、
該複数の可動子を直列に連結する一直線上に配置された複数のねじりばねと、
該複数のねじりばねの一部を支持する支持体と、
前記可動子にトルクを印加する駆動手段と、からなるマイクロ揺動体であって、
前記複数の可動子の少なくとも一つは、
該可動子の外周においては前記複数のねじりばねのうちの一本（ねじりばねＡ）とのみ連結し、
かつ、
該ねじりばねＡと、
該ねじりばねＡ以外のねじりばねのうち少なくとも一本との、
いずれか一方にのみ、応力を印加する応力印加手段を有することを、特徴とするマイクロ揺動体。
（２）前記複数の可動子の一つは、
前記複数のねじりばねの２本で前記支持体に支持されることを、特徴とする上記記載のマイクロ揺動体。
（３）前記ねじりばねに応力印加する手段が、
前記ねじりばね以外に形成されることを、特徴とする上記記載のマイクロ揺動体。
（４）前記ねじりばねに応力印加する手段が圧電体あるいは抵抗体であることを、特徴とする上記記載のマイクロ揺動体。
（５）上記記載のマイクロ揺動体と、
前記可動子の上に配置された光偏向素子を有することを、特徴とする光偏向器。
（６）光源と、
上記記載の光偏向器とを具備することを、特徴とする画像形成装置。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のマイクロ揺動体により、ねじりばねに応力を印加して、一つのねじりばねのばね定数を変化させてマイクロ揺動体の基準周波数（一次の固有振動モード）あるいは高次の固有振動モードのどちらかを主に変化させて、ねじりの固有振動モードを所望の周波数比に維持することができる。これによって、マイクロ揺動体を作製した際の形状ばらつきや、温度変化などの環境変化により変化する複数のねじり固有振動モードを所望の周波数比に維持することができる。
【０００９】
また、複数の可動子の一つは、複数のねじりばねの２本で支持体に支持されることによって、曲げ剛性を高め、不要なたわみモードの動きを抑制することができる。さらに、マイクロ揺動体の耐衝撃性を向上することができる。
【００１０】
また、ねじりばねに応力を印加する手段をねじりばね以外に形成することである。これによって、応力を印加するための手段を形成した時の応力がねじりばねにかからないようにすることができる。
【００１１】
また、圧力印加手段として圧電体あるいは抵抗体とすることによって、スパッタリング、ＣＶＤ等により容易に作製することができる。
【００１２】
また、マイクロ揺動体の可動子の上に光偏向素子を配置することによって、光を効率的に偏向することができる。
【００１３】
また、複数の固有振動モードの周波数比を制御できるマイクロ揺動体を画像形成装置に用いることによって、作製時の形状のばらつきや温度変化などの環境変化時に固有振動モードを所望の周波数比に維持して、振動モードの重ね合わせでねじり振動させることができ、略等角速度光走査が可能となる。従って、レーザービームプリンタやデジタル複写機やマルチファンクションプリンタ等の画像形成装置に使用する場合において、画像形成時のスポット形状のばらつきを抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の実施の形態について説明する。
【００１５】
上記（１）の構成のマイクロ揺動体は、複数の可動子を形成し、複数の可動子は複数のねじりばねで一直線上に連結され、支持体でねじりばねの一部を固定する。複数の可動子、複数のねじりばね、支持体は、マイクロマシン技術でシリコン基板などに一体形成することができる。そして、可動子にトルクを印加することによって支持体に対して可動子を相対的に駆動させることができる。可動子にトルクを印加する方法は、電磁駆動、圧電駆動、静電駆動などでよい。この構成のマイクロ揺動体は、複数のねじり固有振動モードを有している。本発明の特徴は、複数のねじり固有振動モードの基準周波数（一次の固有振動モード）あるいは高次の固有振動モードを主に変化させるために、少なくとも一つの可動子の外周においては複数のねじりばねのうちの一本（ねじりばねＡ）とのみ連結し、ねじりばねＡとねじりばねＡ以外のねじりばねのうち少なくとも一本とのいずれか一方にのみ応力を印加する応力印加手段を形成することである。ねじりばねに応力を印加する手段は、圧電体や抵抗体などである。例えば、圧電体としてはチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）やチタン酸バリウム、ＺｎＯ、ＡｌＮなど、抵抗体としてはドープしたポリシリコンなどがある。この構成でねじりばねに応力を印加すると、複数のねじりばねの中に、応力のかかるねじりばねと応力のかからないねじりばねができる。従って、一つのねじりばねのばね定数を変化させてマイクロ揺動体の基準周波数（一次の固有振動モード）あるいは高次の固有振動モードのどちらかを主に変化させて、ねじりの固有振動モードを所望の周波数比に維持することができる。これによって、マイクロ揺動体を作製した際の形状ばらつきや、温度変化などの環境変化により変化する複数のねじり固有振動モードを所望の周波数比に維持することができる。
【００１６】
また、上記（２）の特徴は、複数の可動子の少なくとも一つは、複数のねじりばねの２本で支持体に支持されることである。一例として、図２のように、一つの輪形状可動子の内側に平板形状可動子を一本のねじりばねで連結し、輪形状可動子を２本のねじりばねで支持体の２箇所と連結することである。これによって、曲げ剛性を高め、不要なたわみモードの動きを抑制することができる。さらに、マイクロ揺動体の耐衝撃性を向上することができる。
【００１７】
また、ねじりばねに応力を印加する手段、例えば圧電体等をねじりばねに形成する場合、圧電体などを形成した時の応力がねじりばねにかかってしまう。そこで、上記（３）の特徴は、ねじりばねに応力を印加する手段をねじりばね以外に形成することである。これによって、圧電体などを形成した時の応力がねじりばねにかからないようにすることができる。
【００１８】
また、上記（４）の特徴は、圧力印加手段として圧電体あるいは抵抗体とすることである。これによって、スパッタリング、ＣＶＤ等により容易に圧力印加手段を作製することができる。
【００１９】
また、上記（５）特徴は、マイクロ揺動体の可動子の上に光偏向素子を配置することである。例えば、可動子の一方面側に光の反射率の高いアルミニウムや誘電体多層膜などの物質をコーティングし反射面を形成することである。これによって、反射面に入射する入射光を効率的に偏向することができる。
【００２０】
また、上記（６）の特徴は、複数の固有振動モードの周波数比を制御できる光偏向器を画像形成装置に用いることである。これによって、作製時の形状のばらつきや温度変化などの環境変化時に変化する固有振動モードを所望の周波数比に維持して、振動モードの重ね合わせでねじり振動させることができ、略等角速度光走査が可能となる。従って、レーザービームプリンタやデジタル複写機やマルチファンクションプリンタ等の画像形成装置に使用する場合において、画像形成時のスポット形状のばらつきを抑えることができる。
【実施例１】
【００２１】
図１は、本発明の実施例１のマイクロ揺動体を説明する概略図である。実施例１のマイクロ揺動体において、可動子１００、１０１が形成され、可動子１００は第一ねじりばね１０２で可動子１０１に連結される。可動子１０１は第二ねじりばね１０３で支持体１０４に連結される。可動子１００、１０１、第一ねじりばね１０２、第二ねじりばね１０３、支持体１０４は、マイクロマシニング技術で一体形成できる。可動子１００の一方面側には、表面に光の反射率の高いアルミニウムをコーティングして反射面１０５を形成する。また、可動子１０１の一方面側には、メッキ等により硬磁性体が成膜されている。硬磁性体はねじり軸に対して垂直方向に磁化されている。コイル１０６に電流を印加することによって、コイル１０６から磁場が発生する。発生した磁場により可動子１０１の硬磁性体にはトルクが作用し、マイクロ揺動体を駆動することができる。
【００２２】
本発明の特徴は、第二ねじりばね１０３に圧電体１０７を形成し、圧電体１０７に電圧を印加すると逆圧電効果により圧電体１０７は伸び、第二ねじりばね１０３に応力がかかり、ばね定数が変化するが、第一ねじりばね１０２には応力がかからずばね定数が変わらない構成としたことである。これによって、マイクロ揺動体の複数のねじり固有振動モードの二次の固有振動モードをほとんど変化させずに、基本周波数（一次の固有振動モード）を主に変化させてねじり固有振動モードを所望の周波数比に維持することができる。従って、マイクロ揺動体を作製した際の形状ばらつきや、温度変化などの環境変化により変化する二つのねじり固有振動モードを所望の周波数比に維持することができる。
【実施例２】
【００２３】
図２は、本発明の実施例２のマイクロ揺動体を説明する斜視図である。実施例２のマイクロ揺動体において、平板形状可動子２００、輪形状可動子２０１が形成され、平板形状可動子２００は第一ねじりばね２０２で輪形状可動子２０１に連結される。平板形状可動子２０１は第二ねじりばね２０３ａ、２０３ｂで支持体２０４に連結される。平板形状可動子２００、輪形状可動子２０１、第一ねじりばね２０２、第二ねじりばね２０３ａ、２０３ｂ、支持体２０４は、マイクロマシニング技術でシリコン基板から一体形成できる。平板形状可動子２００の一方面側には、表面に光の反射率の高いアルミニウムや誘電体多層膜などの物質をコーティングして反射面２０５を形成する。また、平板形状可動子２００の他方面側には、メッキ等により硬磁性体が成膜されている。硬磁性体はねじり軸に対して垂直方向に磁化されている。コイル２５０に電流を印加することによって、コイル２５０から磁場が発生する。発生した磁場により平板形状可動子２００の硬磁性体にはトルクが作用し、マイクロ揺動体を駆動することができる。
【００２４】
本発明の特徴は、第二ねじりばね２０３ａ、２０３ｂに圧電体２０６ａ、２０６ｂを形成し、圧電体２０６ａ、２０６ｂに電圧を印加した際、第二ねじりばね２０３ａ、２０３ｂに応力がかかってばね定数が変化するが、第一ねじりばね２０２には応力がかからずばね定数が変化しない構成とし、輪形状可動子２０１の内側に平板形状可動子２００を配置し、第二ねじりばね２０３ａ、２０３ｂを支持体２０４に連結したことである。
【００２５】
このマイクロ揺動体は、平板形状可動子２００の慣性モーメントＩ1＝１．３９５１Ｅ‐１１［ｋｇｍ２］、輪形状可動子２０１の慣性モーメントＩ2＝１．７２４３Ｅ‐１０［ｋｇｍ２］、第一ねじりばねのばね定数ｋ1＝７．９１９１４Ｅ−１０［Ｎ／ｍ］、第二ねじりばねのばね定数ｋ2＝３．３００Ｅ−２［Ｎ／ｍ］を有し、ねじりの固有振動モードは、ｆ1＝２０９０Ｈｚとｆ2＝４００９Ｈｚであった。圧電体２０６ａ、２０６ｂに電圧を印加し、第二ねじりばね２０３ａ、２０３ｂに応力を印加することで、第二ねじりばね２０３ａ、２０３ｂのばね定数をｋ2＝３．０１２３Ｅ−２［Ｎ／ｍ］に変化させたことで、ねじりの固有振動モードは、基本周波数（一次の固有振動モード）ｆ1＝２０００Ｈｚと二次の固有振動モードｆ2＝４０００Ｈｚに変化させ、基本周波数ｆ1を二次の固有振動モードｆ2に対して相対的に大きく変化させることができた。さらに、輪形状可動子２０１の内側に平板形状可動子２００を配置し、第二ねじりばね２０３ａ、２０３ｂを支持体２０４に連結したことで、曲げ剛性を高め、不要なたわみモードの動きを抑制することができた。さらに、マイクロ揺動体の耐衝撃性を向上することができた。
【実施例３】
【００２６】
図３は、本発明の実施例３を説明するための斜視図である。実施例３のマイクロ揺動体の構成は、実施例２と略同様である。本実施例３が実施例２と異なる点は、ねじりばねに応力を印加する手段をねじりばね上に形成しないことである。
【００２７】
実施例３のマイクロ揺動体において、圧電体３０６ａ、３０６ｂに電圧を印加して圧電体３０６ａ、３０６ｂを伸ばす。第二ねじりばね３０３ａ、３０３ｂには応力が印加され、第二ねじりばね３０３ａ、３０３ｂのばね定数は変化する。一方、ねじりばね３０２には応力が印加されないため、ばね定数は変化しない。これによって、マイクロ揺動体の複数のねじり固有振動モードのうち、二次の固有振動モードを変化させず、基本周波数（一次の固有振動モード）を主に変化させることができる。従って、マイクロ揺動体を作製した際の形状ばらつきや、温度変化などの環境変化により変化する複数のねじり固有振動モードを所望の周波数比に維持することができる。さらに、ねじりばね３０３ａ、３０３ｂに応力を印加するための圧電体３０６ａ、３０６ｂをねじりばね３０３ａ、３０３ｂ上に形成せず、輪形状可動子３０１に形成したことによって、第二ねじりばね３０３ａ、３０３ｂには、圧電体形成時の応力がねじりばねにかからないようにすることができた。
【実施例４】
【００２８】
図４は、本発明の実施例４を説明するための概略図である。光源４０１から出射したレーザ光４０２は、出射光学系４０３で整形され、本発明のマイクロ揺動体４０４で走査される。マイクロ揺動体４０４の可動子には反射面が形成されている。結像光学系４０５は走査されたレーザ光を感光ドラム４０６上に結像させスポットを形成する。走査されたスポットは、走査軌跡４０７に沿って移動する。
【００２９】
本実施例の画像形成装置に複数の固有振動モードの周波数比を制御できる本発明のマイクロ揺動体を用いることによって、作製時の形状のばらつきや温度変化などの環境変化時に固有振動モードを所望の周波数比に維持して、複数の振動モードの重ね合わせでねじり振動させることができ、略等角速度光走査が可能となる。従って、レーザービームプリンタやデジタル複写機やマルチファンクションプリンタ等の画像形成装置において、画像形成時のスポット形状のばらつき等を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施例１のマイクロ揺動体を説明する概略図である。
【図２】本発明の実施例3のマイクロ揺動体を説明する斜視図である。
【図３】本発明の実施例3のマイクロ揺動体を説明する斜視図である。
【図４】本発明の実施例４の画像形成装置を説明する図である。
【図５】従来技術のマイクロ揺動体を説明する概略図である。
【符号の説明】
【００３１】
１４、１６  可動子
１８、２０  ねじりばね
２２  回転子
２３  固定子
２４  支持体
２６  ねじり軸
１００、１０１  可動子
１０２  第一ねじりばね
１０３  第二ねじりばね
１０４  支持体
１０５  反射面
１０６  コイル
１０７  圧電体
１０８ａ、１０８ｂ  電極
１０９ａ、１０９ｂ  電極
１１０ａ、１１０ｂ  配線
２００  平板形状可動子
２０１  輪形状可動子
２０２  第一ねじりばね
２０３ａ、２０３ｂ  第二ねじりばね
２０４  支持体
２０５  反射面
２０６ａ、２０６ｂ  圧電体
２０７ａ、２０７ｂ、２０７ｃ、２０７ｄ  電極
２０８ａ、２０８ｂ、２０８ｃ、２０８ｄ  電極
２０９ａ、２０９ｂ、２０９ｃ、２０９ｄ  配線
２５０  コイル
３００  平板形状可動子
３０１  輪形状可動子
３０２  第一ねじりばね
３０３ａ、３０３ｂ  第二ねじりばね
３０４  支持体
３０５  反射面
３０６ａ、３０６ｂ  圧電体
３０７ａ、３０７ｂ、３０７ｃ、３０７ｄ  電極
３０８ａ、３０８ｂ、３０８ｃ、３０８ｄ  電極
３０９ａ、３０９ｂ、３０９ｃ、３０９ｄ  配線
３５０  コイル
４０１  半導体レーザ
４０２  レーザ光
４０３  出射光学系
４０４  マイクロ揺動体
４０５  結像光学系
４０６  感光ドラム
４０７  走査軌跡
【図１】
2005326464.tif 000003
【図２】
2005326464.tif 000004
【図３】
2005326464.tif 000005
【図４】
2005326464.tif 000006
【図５】
2005326464.tif 000007